JPWO2012160662A1 - 太陽電池 - Google Patents

太陽電池 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2012160662A1
JPWO2012160662A1 JP2013516117A JP2013516117A JPWO2012160662A1 JP WO2012160662 A1 JPWO2012160662 A1 JP WO2012160662A1 JP 2013516117 A JP2013516117 A JP 2013516117A JP 2013516117 A JP2013516117 A JP 2013516117A JP WO2012160662 A1 JPWO2012160662 A1 JP WO2012160662A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pillar
diameter
solar cell
nanopillar
nanopillars
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013516117A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5808400B2 (ja
Inventor
敬司 渡邉
敬司 渡邉
龍太 土屋
龍太 土屋
服部　孝司
孝司 服部
三江子 松村
三江子 松村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Publication of JPWO2012160662A1 publication Critical patent/JPWO2012160662A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5808400B2 publication Critical patent/JP5808400B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281—Shape of the body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0236—Special surface textures
    • H01L31/02366—Special surface textures of the substrate or of a layer on the substrate, e.g. textured ITO/glass substrate or superstrate, textured polymer layer on glass substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/03529—Shape of the potential jump barrier or surface barrier
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)

Abstract

表面構造として、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現するために、基板１と、基板１と接続される直径Ｄ１のナノピラー１１と、基板１と接続される直径Ｄ２のナノピラー１２とを有する太陽電池において、Ｄ１＜Ｄ２を特徴とする。直径の異なる二種類のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造２１は、直径Ｄ１のナノピラー１１から構成されるナノピラーアレイ構造の反射率の極小点と、直径Ｄ２のナノピラー１２から構成されるナノピラーアレイ構造の反射率の極小点と、を兼ね備えるため、太陽光の幅広い波長域での反射防止を実現できる。

Description

本発明は太陽電池に関する。
近年、太陽電池セルの表面構造として、太陽光の波長よりも微細な凹凸構造、いわゆるサブ波長構造を用いる試みが活発になされている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１）。その動機は、サブ波長構造により、薄膜の反射防止膜よりもより高い反射防止効果が得られる点にある。太陽電池セルの表面反射防止構造としては、アルカリ溶液または酸溶液によるウェットエッチングで形成されたテクスチャ構造が、現在のところ、最も一般的に用いられている。これをサブ波長構造に置き換えることで、より低い反射率が実現され、太陽電池セルの出力電流増大が可能であると期待されている。例えば、非特許文献１では、サブ波長構造の中でも、後述するナノピラーアレイ構造を、太陽電池セルの表面構造として用いることで、反射防止効果による出力電流増大が可能であることが示されている。
特開２００７-３２８０９６号公報 特開２０１０-２１９４９５号公報 特開２００９-１２８５４３号公報
ＩＥＤＭ Ｔｅｃｈ． Ｄｉｇ．， ｐｐ． ７０４ − ７０７ （２０１０）．
次世代太陽電池では更なる光電変換効率アップが望まれているため、発明者等は、反射防止効果向上の観点から、サブ波長構造の中でも、ナノピラーアレイ構造を用いた太陽電池セルに注目し、検討を行なった。ナノピラーアレイ構造とは、図９に示すように、太陽光３の波長よりも微細な径のナノピラー４が、基板１上に、周期的に配列した構造である。以下では、ナノピラー４の形状として円柱を例にとって述べるが、本発明は、角柱など、他の形状の場合にも適用可能である。また、図９に示すように、太陽光３は、ナノピラー４の高さ方向に進行して、空気からナノピラーアレイ構造に対して入射すると仮定するが、本発明は、ナノピラー４の高さ方向と、太陽光３の進行方向とが一致しない場合にも適用可能である。
ナノピラーアレイ構造による反射防止効果の特徴を述べる。図１０（ａ）にＳｉ鏡面の反射率スペクトルを、図１０（ｂ）にＳｉテクスチャ構造の反射率スペクトルの一例を、図１０（ｃ）にＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルの一例を、それぞれ示す。反射率スペクトルは、２次元のＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）による計算結果である。図１０（ａ）と図１０（ｂ）とを比較すると、表面形状を鏡面からテクスチャ構造へと変更することにより、反射率の絶対値は低減されるが、反射率スペクトルの形状は変化しないことがわかる。一方、図１０（ｃ）を見ると、表面をナノピラーアレイ構造にすることは、反射率の絶対値だけでなく、反射率スペクトルの形状をも変化させるということがわかる。具体的には、図１０（ａ）と図１０（ｂ）によれば、表面形状が鏡面あるいはテクスチャ構造のときの反射率スペクトルでは、波長３６０ｎｍ付近に反射率の極大点が存在するものの、それ以外の波長域では、波長が長いほど反射率が低いという単調な振舞いが見られる。一方、図１０（ｃ）によれば、表面形状がナノピラーアレイ構造のときの反射率スペクトルには、反射率の極大点および極小点が複数存在しており、反射率が波長に対して非単調に変化するという特徴がある。ナノピラーアレイ構造では光の回折が起こり、回折条件が反射率の値に影響する。回折条件を満たす光の波長が離散的な値をとるために、反射率スペクトルが、複数の極大点と極小点とをもつ、非単調な振舞いを示すと考えられている。
ナノピラーアレイ構造を特徴付ける寸法パラメータは、ナノピラーの直径、高さ、及びナノピラー間ギャップの３つである。ナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルは、上記の寸法パラメータに依存して変化することが、特許文献１に開示されている。これは、上記の回折条件が、ナノピラーアレイ構造の寸法パラメータに依存して変化するためである。ナノピラーアレイ構造を、太陽電池セルの表面反射防止構造として用いるには、上記の寸法パラメータの調整により、太陽光の波長域での反射率を低減することが必要である。ナノピラーアレイ構造の太陽電池セルへの適用例としては、太陽電池セル表面の透明電極にサブ波長の凹凸形状を設ける方法が特許文献２に、テクスチャ構造上にさらにサブ波長構造を設ける方法が特許文献３に、それぞれ開示されている。しかし、上述のように、ナノピラーアレイ構造の反射率は、離散的な波長でのみ極小となり、それら極小点の間の波長では、反射率の値の増大が避けられない。上記の寸法パラメータの調整のみによって、太陽光のように、幅広い波長域にわたる光の反射防止が可能なナノピラーアレイ構造を実現することは困難である。一方、ナノピラーアレイ構造の回折条件が、上記の寸法パラメータに依存することを利用して、寸法パラメータが変調されたナノピラーアレイ構造によって、幅広い波長域で回折効率の高い回折格子を実現する方法が、特許文献１に開示されている。しかし、寸法パラメータのうち、ナノピラーの直径、高さ、ナノピラー間ギャップが、それぞれ反射防止にどのような役割を果たしているかは明らかにされておらず、そのために、幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造の実現方法は、従来は確立されていなかった。
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、表面構造として、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現することを目的とする。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものを簡単に説明すれば、次のとおりである。すなわち、太陽電池であって、基板と、前記基板と接続される第１のナノピラーと、前記基板と接続される第２のナノピラーと、を有し、前記第２のナノピラーの直径が前記第１のナノピラーの直径よりも大きいことを特徴とする。
本発明によると、直径の異なるナノピラーを備えることにより、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現することができる。
本発明の実施例１に係る太陽電池セルの表面構造の断面図である。 本発明の実施例１に係る太陽電池セルの表面構造の第１の上面図である。 本発明の実施例１に係る太陽電池セルの表面構造の第２の上面図である。 本発明の実施例１に係る太陽電池セルの表面構造の第３の上面図である。 本発明の実施例２に係る太陽電池セルの表面構造の断面図である。 本発明の実施例２に係る太陽電池セルの表面構造の上面図である。 本発明の実施例３に係る太陽電池セルの表面構造および不純物層の断面図である。 本発明の実施例３に係る他の太陽電池セルの表面構造および不純物層の断面図である。 表面にナノピラーアレイ構造を有する従来の太陽電池セルの鳥瞰図である。 反射スペクトルを示し、（ａ）はＳｉ鏡面の場合、（ｂ）はＳｉテクスチャ構造の場合の一例、（ｃ）はＳｉナノピラーアレイ構造の場合の一例である。 反射スペクトルを示し、（ａ）は直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の場合、（ｂ）は直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の場合、（ｃ）は直径１２０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の場合、（ｄ）は直径１２０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の場合、（ｅ）は直径１２０ｎｍ、高さ６００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の場合である。 本発明の実施例１に係る太陽電池セルの表面構造において、Ｄ１＝４０ｎｍ、Ｄ２＝１２０ｎｍ、Ｈ＝２００ｎｍ、Ｇ＝４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルである。 （ａ）は本発明の実施例２に係る太陽電池セルの表面構造において、Ｄ１＝４０ｎｍ、Ｄ２＝１２０ｎｍ、Ｈ１＝２００ｎｍ、Ｈ２＝８００ｎｍ、Ｇ＝４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトル、（ｂ）は直径１２０ｎｍ、高さ６００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造における、ナノピラーの高さ方向に沿った光強度分布である。 本発明の実施例３に係る太陽電池セルにおける、不純物層の横方向抵抗の増加率Ｒ／Ｒ０であり、実線は、本実施例３の構造の場合に、破線は、本実施例３の比較実施例の構造の場合に、それぞれ対応する。 本発明の実施例３に係る太陽電池セルにおける、不純物層で発生する光キャリア数の増加率Ｎ／Ｎ０であり、実線は、本実施例３の構造の場合に、破線は、本実施例３の比較実施例の構造の場合に、それぞれ対応する。
図１は、本発明の実施例１に係る太陽電池セルの表面構造の断面図である。一般的に、太陽電池セルは、ｐｎ接合、パッシベーション膜、電極などから構成されるが、図１にはこれらを明示せず、基板１と表面構造のみを示してある。本実施例１の構造の特徴は、基板１上に形成された、直径の異なる二種類のナノピラー１１、１２から構成されるナノピラーアレイ構造２１を有する点にある。図１には、直径Ｄ１のナノピラー１１と、直径Ｄ２のナノピラー１２とから構成されるナノピラーアレイ構造２１を示してある。なお、本実施例では、ナノピラーの直径の関係を、Ｄ１＜Ｄ２とした。また、ピラー高さＨについては、直径Ｄ１のナノピラー１１、直径Ｄ２のナノピラー１２ともに同一の値とした。また、図１に示すように、ピラー間のギャップＧが、面内のいたるところで一定の値をもつ構成とした。後述のように、本実施例１の構造によって、幅広い波長域での反射防止を行うことが可能である理由としては、直径の異なる複数のナノピラーを用いることが本質的であり、ナノピラー間のギャップＧの値が、面内で複数の値をとることは必須ではない。しかし、後述の図３および図４に示すように、ナノピラーの配列パターンによっては、ナノピラー間のギャップＧの値を、面内のいたるところで一定とすることが不可能な場合もある。そのため、本実施例１の構造としては、ナノピラー間のギャップＧの値が、面内で複数の値をとる構造を含むものとする。図１に示す構造は、公知のホトリソグラフィー技術を用いて直径の異なるレジストパターンを形成後、レジストパターンをマスクとして公知のドライエッチングを行うことにより作製することができる。なお、図１における破線Ａ１と破線Ｂ１との間の領域は、ナノピラーアレイ構造の単位構造を示す。
図２は、本実施例１に係る太陽電池セルの表面構造の第１の上面図である。基板１は示されていない。図２には、直径Ｄ１のナノピラー１１と、直径Ｄ２のナノピラー１２とが、市松模様状に配列された構造を示してあるが、配列パターンは、三角格子など、他の種類でもよい。周期的な配置が望ましい。
以上、直径の異なる二種類のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造２１を有する太陽電池セルについて述べたが、本実施例１は、直径の異なる三種類以上のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルにも適用可能である。以下、直径の異なる三種類のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルとして、ナノピラーアレイ構造の配列パターンの異なる例を２つ挙げる。
図３は、本実施例１に係る太陽電池セルの表面構造の第２の上面図である。図３に示す太陽電池セルの表面構造の特徴は、直径Ｄ３のナノピラー１３と、直径Ｄ４のナノピラー１４と、直径Ｄ５のナノピラー１５という、直径の異なる三種類のナノピラーから構成される第１のナノピラーアレイ構造２２を有する点にある。なお、各ナノピラーの直径の関係を、Ｄ３＜Ｄ４＜Ｄ５とした。上述の通り、図３に示す配列パターンでは、ナノピラー間ギャップＧの値は、面内で一定ではなく、例えば、直径Ｄ３のナノピラー１３と、直径Ｄ４のナノピラー１４とのナノピラー間ギャップＧ３４は、直径Ｄ４のナノピラー１４と、直径Ｄ５のナノピラー１５とのナノピラー間ギャップＧ４５よりも小さい。
図４は、本実施例１に係る太陽電池セルの表面構造の第３の上面図である。図４に示す太陽電池セルの表面構造の特徴は、直径Ｄ６のナノピラー１６と、直径Ｄ７のナノピラー１７と、直径Ｄ８のナノピラー１８という、直径の異なる三種類のナノピラーから構成される第２のナノピラーアレイ構造２３を有する点にある。なお、各ナノピラーの直径の関係を、Ｄ６＜Ｄ７＜Ｄ８とした。図４に示す配列パターンにおいても、ナノピラー間ギャップＧの値は、面内で一定ではなく、例えば、直径Ｄ６のナノピラー１６と、直径Ｄ７のナノピラー１７とのナノピラー間ギャップＧ６７は、直径Ｄ６のナノピラー１６と、直径Ｄ８のナノピラー１８とのナノピラー間ギャップＧ６８よりも大きい。
本実施例１によれば、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現することができる。以下、その理由を説明する。まず、ナノピラーアレイ構造の寸法パラメータを変化させたときに、ナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルに現れる変化を示す。図１１（ａ）は、直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルの計算結果である。反射率は、波長４６０ｎｍにおいて極小値をとる。このナノピラーアレイ構造において、ナノピラー間ギャップのみを変化させた、直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルの計算結果を図１１（ｂ）に示す。反射率の極小点は波長４２０ｎｍであり、上述の、直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の場合と比べると、４０ｎｍだけ短波長側にシフトする。一方、直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造から、直径のみを変化させた、直径１２０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルは、図１１（ｃ）に示すように、波長５６０ｎｍに、反射率の極小点をもつスペクトルとなる。図１１（ａ）と図１１（ｂ）との比較から、ナノピラー間ギャップを８０ｎｍ変化させたときの、反射率の極小点のシフト量が４０ｎｍであるのに対して、図１１（ａ）と図１１（ｃ）とを比較すると、直径を８０ｎｍ変化させたときの、反射率の極小点のシフト量は１００ｎｍである。つまり、ナノピラー間ギャップを変化させるよりも、直径を変化させるほうが、反射率の極小点のシフトが顕著である。
さらに、直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造から、直径とナノピラー間ギャップとをともに変化させた、直径１２０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルの計算結果は、図１１（ｄ）のようになり、反射率の極小点は、波長６２０ｎｍに存在する。図１１（ｃ）と図１１（ｄ）との比較から、ナノピラー間ギャップを８０ｎｍ変化させたときの、反射率の極小点のシフト量が６０ｎｍであるのに対して、図１１（ｂ）と図１１（ｄ）とを比較すると、直径を８０ｎｍ変化させたときの、反射率の極小点のシフト量は２００ｎｍである。これより、上記の、図１１（ａ）、図１１（ｂ）、および、図１１（ｃ）の比較から得られた、ナノピラー間ギャップを変化させるよりも、直径を変化させるほうが、反射率の極小点のシフトが顕著であるという傾向が再確認された。また、図１１（ａ）と図１１（ｃ）との比較、および、図１１（ｂ）と図１１（ｄ）との比較から、直径を増加させると、反射率の極小点は長波長側にシフトするという傾向がわかる。一方、図１１（ａ）と図１１（ｂ）との比較では、ナノピラー間ギャップを増加させると、反射率の極小点が短波長側にシフトするのに対して、図１１（ｃ）と図１１（ｄ）との比較では、ナノピラー間ギャップを増加させると、反射率の極小点が長波長側にシフトする。このことから、ナノピラー間ギャップの変化と、反射率の極小点のシフトとは、互いに単調増加あるいは単調減少の関係ではないといえる。
最後に、直径１２０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造から、高さのみを変化させた、直径１２０ｎｍ、高さ６００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルを図１１（ｅ）に示す。図１１（ｄ）と図１１（ｅ）とを比較すると、高さを増加させることで、反射率の極小点の数が増加するという特徴がわかる。また、波長３００ｎｍから８００ｎｍで単純平均された反射率の値は、図１１（ｄ）と図１１（ｅ）のいずれの場合においても１３％であることから、高さを変化させても、反射率の平均値は変化しないことがわかる。
図１１（ａ）から図１１（ｅ）に示された反射率スペクトルから、ナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルにおける、寸法パラメータの役割をまとめると、以下のようになる。直径の変化は、反射率の極小点のシフトをもたらす。具体的には、直径の増加に伴い、反射率の極小点は長波長側にシフトする。また、高さの変化は、反射率の極小点の数の変動をもたらす。具体的には、高さの増大に伴い、反射率の極小点の数は増大する。但し、高さの変化は、反射率の平均値の変化をもたらさない。最後に、ナノピラー間ギャップの変化は、反射率の極小点の数には影響せず、また、反射率の極小点のシフトをもたらすが、そのシフトの大きさは、直径の変化によるシフトに比べて小さい。さらに、ナノピラー間ギャップの変化による、反射率の極小点のシフトは、長波長側へのシフトか、それとも短波長側へのシフトかが、単調に定まらない。
上述の、直径、高さ、ナノピラー間ギャップのそれぞれの役割から、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を実現するには、直径の異なる複数のナノピラーを用いる方法が有効であることが予想される。すなわち、直径の異なるナノピラーアレイ構造は、反射率の極小点も異なるため、それらを組み合わせることで、幅広い波長域にわたって反射率の極小点が存在するナノピラーアレイ構造を実現することができると予想される。以下、この予想を検証する。
図１２は、図１に示す構造において、Ｄ１＝４０ｎｍ、Ｄ２＝１２０ｎｍ、Ｈ＝２００ｎｍ、Ｇ＝４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルの計算結果である。反射率は、波長４４０ｎｍと波長６２０ｎｍという２つの極小点をもつ。前者の波長は、図１１（ａ）および図１１（ｂ）における反射率の極小点とほぼ一致することから、直径４０ｎｍのナノピラーに起因する反射率の極小点であることがわかる。一方、後者の波長は、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）における反射率の極小点とほぼ一致することから、直径１２０ｎｍのナノピラーに起因する反射率の極小点であることがわかる。このことから、直径の異なる複数のナノピラーを組み合わせることで、それぞれの直径に起因する反射率の極小点を兼ね備えた、幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造が実現されるという予想が裏付けられた。本実施例１の効果を、太陽光の光子数スペクトルで重みづけ平均された反射率の値で示すと、直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の平均反射率が１６．０％、直径１２０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の平均反射率が１３．３％であるのに対して、図１に示す構造において、Ｄ１＝４０ｎｍ、Ｄ２＝１２０ｎｍ、Ｈ＝２００ｎｍ、Ｇ＝４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の平均反射率は１１．５％、図３に示す構造において、Ｄ３＝４０ｎｍ、Ｄ４＝６０ｎｍ、Ｄ５＝１２０ｎｍ、Ｈ＝２００ｎｍ、Ｇ＝４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の２次元のＦＤＴＤ法により計算された平均反射率は９．２％であり、従来のナノビラーに比し、反射防止効果を向上できることが分かった。
また、ナノピラー等のサブ波長構造は、光閉じ込めの効果をも有するため、太陽電池セルの光吸収の確保と、光吸収層の厚さの低減とを両立することが可能である。光吸収層の厚さの低減は、材料コストを低減するだけでなく、太陽電池セル内部のキャリア移動距離を短縮することで、再結合を抑制し、太陽電池セルの出力電圧増大が可能である。
以上が、本実施例１によって、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現することができることの理由である。本実施例１の構造において、特に好適な寸法パラメータの数値範囲を記す。直径の異なる二種類のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造の場合は、直径２０〜５０ｎｍ（５０ｎｍ未満）のナノピラーと、直径５０〜１５０ｎｍのナノピラーとを組み合わせるのが望ましい。直径の異なる三種類のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造の場合は、直径２０〜５０ｎｍ（５０ｎｍ未満）のナノピラーと、直径５０〜９０ｎｍ（９０ｎｍ未満）のナノピラーと、直径９０〜１５０ｎｍのナノピラーとを組み合わせるのが望ましい。高さは、反射防止の実現のために１００ｎｍ以上であるのが望ましく、また、作製可能性の観点から、１０００ｎｍ以下であることが望ましい。ナノピラー間ギャップは、上述のように、反射率の極小点のシフトに与える影響が、直径に比べて小さいとはいえ、まったく任意の値でよいわけではない。反射率の極小点のシフトを抑制するために、ナノピラー間ギャップの大きさは、直径の１／５〜５倍の範囲内であるのが望ましい。また、ナノピラー形成の際には、通常、ナノピラーの形状にテーパーが発生する。ナノピラー間ギャップが小さい場合には、隣接するナノピラーのテーパーが接することで、所望の高さのナノピラーが得られない懸念もある。ナノピラー間ギャップの大きさを設定する際には、その点も考慮に入れる必要がある。
本実施例１の構造において、ナノピラーを構成する材料は、太陽電池セルの光吸収層に用いられる半導体材料、あるいは、パッシベーション膜やバッファ層に用いられる半導体材料あるいは絶縁体材料、あるいは、透明導電膜材料、あるいは、これらの材料の積層物である。太陽電池セルの光吸収層に用いられる半導体材料は、Ｓｉ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅなどであり、これらは単結晶、多結晶、微結晶、アモルファスなど種々の構造をとりうる。これら半導体層は、基板１そのものでもよいし、ＣＶＤ法、スパッタ法、エピタキシー法、蒸着法などの成膜法により形成してもよい。パッシベーション膜やバッファ層に用いられる半導体材料あるいは絶縁体材料は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ（窒化シリコン）、アモルファスＳｉ、ＣｄＳなどである。これら半導体材料あるいは絶縁体材料の形成は、上記の、太陽電池セルの光吸収層に用いられる半導体材料の酸化、窒化などにより行ってもよいし、あるいは、ＣＶＤ法、スパッタ法、エピタキシー法、蒸着法などの成膜法により形成してもよい。透明導電膜材料は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａなどの元素を含む酸化物およびそれらの複合酸化物であり、これにフッ素などの添加物を加えてもよい。これら透明導電膜材料の形成は、スパッタ法、ＣＶＤ法、塗布法、印刷法などにより行う。また、上記工程に加えて、各々の膜の結晶性や膜質の改善のため、あるいは隣接膜との界面の質を向上させるための熱処理、プラズマ処理などを適宜追加してもよい。
本実施例１の構造の製造方法としてホトリソグラフィーとドライエッチングを用いたが、基板１の平坦表面、あるいは、基板１の平坦表面上に形成された膜に対して、電子線描画などのリソグラフィーとエッチング、ナノインプリント、ナノ粒子をマスクにしたエッチングなどの加工を施す公知の方法や、基板１の平坦表面上に、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）法などにより、ナノピラーを成長させる公知の方法を用いることもできる。リソグラフィーとエッチングによる製造方法においては、特に、ナノピラーの「高さ／直径」すなわちアスペクト比が２以上の場合には、基板１上にまずハードマスクを形成し、その後、レジストを塗布してリソグラフィーを行うのが望ましい。特に、基板１がＳｉの場合には、ハードマスクとして、基板１に近い側から順にＳｉＯ２、アモルファスＳｉという二層構造を用いるのが望ましい。その場合、アモルファスＳｉと、Ｓｉ基板とを、ＨＢｒを主成分とするガスを用いたドライエッチングで、ＳｉＯ２を、ＣＨＦ３を主成分とするガスを用いたドライエッチングで、それぞれ加工するのが望ましい。ＶＬＳ法による製造方法においては、必要に応じて、ナノピラーの成長に必要な触媒効果を有する物質を形成するのが望ましい。
上述の方法により、図２〜図４に示す構成のナノピラーを備えた太陽電池を製造した結果、良好な特性が得られた。
以上、本実施例によれば、直径の異なるナノピラーを備えることにより、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能な太陽電池を提供することができる。
第２の実施例について、図５、図６、図１３を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。
図５は、本発明の実施例２に係る太陽電池セルの表面構造の断面図である。実施例１との違いを述べると、実施例１の構造が、直径の異なる複数のナノピラーから構成されることを特徴とするのに対して、本実施例２の構造は、直径と高さとがいずれも異なる複数のナノピラーから構成されることを特徴とする。図５には、直径ＤＤ１かつ高さＨＨ１のナノピラー３１と、直径ＤＤ２かつ高さＨＨ２のナノピラー３２との二種類のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造４１を示す。なお、本実施例ではナノピラーの直径の関係を、ＤＤ１＜ＤＤ２、かつ、高さの関係を、ＨＨ１＜ＨＨ２とした。また、図５には、ナノピラー間ギャップＧＧが、面内のいたるところで一定の値をもつ構成としたが、実施例１の場合と同様に、本実施例２の構造としては、ナノピラー間ギャップＧＧの値が、面内で複数の値をとる構造も含むものとする。
図６は、本実施例２に係る太陽電池セルの表面構造の上面図である。図６には、直径ＤＤ１かつ高さＨＨ１のナノピラー３１と、直径ＤＤ２かつ高さＨＨ２のナノピラー３２とが、市松模様状に配列された構造を示してあるが、三角格子など、他の配列パターンからなる構造でもよい。
本実施例２によれば、実施例１と同様に、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現することができ、かつ、実施例１の構造よりも低い反射率を実現することができる。まず、前者の効果について述べる。図１３（ａ）は、図５に示す構造において、ＤＤ１＝４０ｎｍ、ＤＤ２＝１２０ｎｍ、ＨＨ１＝２００ｎｍ、ＨＨ２＝６００ｎｍ、ＧＧ＝４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の反射率スペクトルの計算結果である。このＳｉナノピラーアレイ構造は、直径４０ｎｍ、高さ２００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造と、直径１２０ｎｍ、高さ６００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造とから構成される。前者の反射率スペクトルは図１１（ａ）に、後者の反射率スペクトルは図１１（ｅ）に、それぞれ示されている。図１３（ａ）に示す反射率スペクトルは、図１１（ａ）および図１１（ｅ）に示す反射率スペクトルにみられる反射率の極小点を兼ね備えていることがわかる。このことから、本実施例２の構造によって、実施例１と同様に、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現することができることが示された。但し、本実施例２の構造によって、実施例１と同様に、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現するためには、以下の条件がある。図１３（ｂ）は、直径１２０ｎｍ、高さ６００ｎｍ、ナノピラー間ギャップ１２０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造に、波長４６０ｎｍの光が、図９に示す方向で入射されたときの、ナノピラー間ギャップの領域における光強度分布である。一般に、ナノピラーアレイ構造に光が入射されると、ナノピラー間ギャップの領域に、定在波が発生する。ナノピラーの高さ方向をｚ方向とすると、定在波は、ｚ＝Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３…と、空間的に飛び飛びに発生する。ただし、ナノピラーの上面をｚ＝０、ナノピラーの高さをＨ、ナノピラーと基板１との境界面をｚ＝Ｈとすると、０＜Ｚ１＜Ｚ２＜Ｚ３＜…＜Ｈである。図１３（ｂ）においては、Ｚ１＝６０ｎｍ、Ｚ２＝２７０ｎｍ、Ｚ３＝４８０ｎｍである。ここで、ｚ＝Ｚ１、Ｚ２、…で発生する定在波を、第１の定在波、第２の定在波、…とそれぞれ呼ぶことにする。０＜Ｈ＜Ｚ１のときは、定在波が存在せず、Ｚ１＜Ｈ＜Ｚ２のときには、第１の定在波のみが存在し、Ｚ２＜Ｈ＜Ｚ３のときには、第１の定在波と第２の定在波とが存在する。ナノピラーアレイ構造による反射防止を行うためには、少なくとも、第１の定在波が存在することが必要である。本実施例２の構造においては、図５に示すように、直径ＤＤ２かつ高さＨＨ２のナノピラー３２のナノピラー間ギャップ領域に、直径ＤＤ１かつ高さＨＨ１のナノピラー３１が形成される。その際、直径ＤＤ２かつ高さＨＨ２のナノピラー３２上の直径ＤＤ１かつ高さＨＨ１のナノピラー３１の上面をｚ＝０、直径ＤＤ２かつ高さＨＨ２のナノピラー３２と基板１との境界面をｚ＝ＨＨ１＋ＨＨ２、定在波の発生位置をｚ＝Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３…とすると、上述の、少なくとも第１の定在波が存在するという条件を満たすには、Ｚ１＜ＨＨ２であることが必要である。従って、本実施例２の構造によって、実施例１と同様に、太陽光の幅広い波長域で反射防止の可能なナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルを実現するための条件をまとめると、本実施例２の構造を構成する、複数のナノピラーの間の高さの差が、少なくとも、当該のナノピラー間ギャップ領域に、第１の定在波が存在することができる程度に、大きい必要がある、ということになる。
次に、本実施例２の構造の効果のうち、実施例１の構造よりも低い反射率を実現することができるという点について述べる。上述の通り、実施例１の構造の場合、図１においてＤ１＝４０ｎｍ、Ｄ２＝１２０ｎｍ、Ｈ＝２００ｎｍ、Ｇ＝４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の平均反射率は１１．５％であった。これに対して、本実施例２の構造の場合、図５においてＤＤ１＝４０ｎｍ、ＤＤ２＝１２０ｎｍ、ＨＨ１＝２００ｎｍ、ＨＨ２＝６００ｎｍ、ＧＧ＝４０ｎｍのＳｉナノピラーアレイ構造の平均反射率は７．１％であった。すなわち、二種類の直径の値が同じであっても、実施例１の構造よりも、本実施例２の構造のほうが、平均反射率が低い。この理由は、ナノピラーアレイの単位構造に含まれる、ナノピラーの数の差に起因する。ナノピラーアレイの単位構造は、実施例１の構造の場合、図１における破線Ａ１と破線Ｂ１との間の領域を指し、本実施例２の構造の場合、図５における破線Ａ２と破線Ｂ２との間の領域を指す。これらの単位構造に含まれるナノピラーの数に注目すると、直径の大きいナノピラーは、実施例１、本実施例２、いずれの構造においても１本であるが、直径の小さいナノピラーは、実施例１の構造では１本のみであるのに対して、本実施例２の構造では３本である。上述の通り、ナノピラーアレイ構造においては、ナノピラー間ギャップに定在波が発生するため、ナノピラーの側部で顕著な光吸収が起こる。従って、ナノピラーの本数を増やすことは、吸収される光量の増加、すなわち外部へ反射される光量の低減をもたらすことで、反射防止効果を高めることにつながる。
以上をまとめると、本実施例２の構造は、直径の異なる複数のナノピラーから構成されるという点では、実施例１の構造と差はないが、単位構造に含まれるナノピラーの本数を、実施例１の構造よりも増やすことによって、より低い反射率を実現することができる。
本実施例２の構造の製造方法としては、実施例１の構造の製造方法と同様、基板１の平坦表面に対して、電子線描画などのリソグラフィーとエッチング、ナノインプリント、ナノ粒子をマスクにしたエッチングなどの加工を施す方法と、基板１の平坦表面上に、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）法などにより、ナノピラーを成長させる方法とがある。本実施例２においては、高さの異なる複数のナノピラーを形成するために、例えば、リソグラフィーとエッチングを複数回にわたって実施するなどの方法をとる必要がある。
上述の方法により、図５に示す構成のナノピラーを備えた太陽電池を製造した結果、良好な特性が得られた。
以上、本実施例によれば、実施例と同一の効果を得ることができる。また、直径の大きなナノピラー上の周辺に小さいナノピラーの直径と同じ幅で、高さが小さいナノピラーの高さと同じリングを配置することにより、ナノピラーアレイ構造の単位構造を、実施例１の場合よりも低い反射率を実現することができる。
第３の実施例について図７、図８、図１５及び図１６を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。
図７は、本発明の実施例３に係る太陽電池セルの表面構造および不純物層の断面図である。図７に示す構造は、実施例１に係る太陽電池セルの表面構造に対して、不純物層２を形成したものであり、ｎ形半導体基板１とｐ形不純物層２とのｐｎ接合の境界面が、面内にわたって平坦であることを特徴とする。本実施例では基板をｎ形、不純物層をｐ形としたが、基板をｐ形、不純物層をｎ形とすることもできる。なお、ｐｉｎ接合の場合は、ｐｉｎ接合の境界面が平坦である。また、後述する本実施例３の効果を得るために、ナノピラーの高さが５００ｎｍ以下であることを特徴とする。また、図７には、太陽電池セルの表面構造が実施例１の構造である場合を示しているが、本実施例３の効果を得るには、太陽電池セルの表面構造は、実施例２の構造であってもよい。その場合、実施例２の構造における、高さの異なる複数のナノピラーのうち、少なくとも１つのナノピラーにおいて、基板１と不純物層２とのｐｎ接合の境界面が平坦であり、かつ、少なくとも１つのナノピラーの高さが５００ｎｍ以下であることを特徴とする。
本実施例３によれば、表面にナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルにおいて、不純物層２の横方向抵抗が、表面が平坦面の太陽電池セルの場合と同一であり、かつ、不純物層２で発生する光キャリア数が、表面が平坦面の太陽電池セルの場合の１〜１．３３倍の範囲内とすることができる。以下、これらの効果について説明する。
不純物層２は、太陽電池セルのｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合を構成する不純物層としての役割を担う。一般に、太陽電池セル内部では、光吸収により電子正孔対が発生し、その後、電子と正孔とが分離し、互いに異なる電極へと移動することで電力が発生する。それらの過程のうち、電子と正孔とが互いに異なる電極へと移動する際に、不純物層２がｎ型半導体の場合は電子が、不純物層２がｐ型半導体の場合は正孔が、それぞれ不純物層２の中を横方向に移動する。このときの、電子または正孔の横方向の移動に伴う電気抵抗を、不純物層２の横移動抵抗と呼ぶ。不純物層２の横移動抵抗は、太陽電池セルの直列抵抗の一部となる。太陽電池の特性低下を防ぐには、直列抵抗低減が必要であり、そのためには、不純物層２の横移動抵抗は低いほうが望ましい。不純物層２の横移動抵抗は、不純物層２の膜厚を増加させることにより、低減することができる。しかしながら、不純物層２の膜厚の増加は、不純物層２の中で発生して再結合する光キャリアの数の増加をもたらし、太陽電池セルの特性低下をもたらす。従って、不純物層２の横移動抵抗と、不純物層２で発生する光キャリア数とは、互いにトレードオフの関係にあり、その中で、太陽電池の特性を最適化するように、不純物層２の膜厚を設定する必要がある。
表面にナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルにおける不純物層２の形状は、以下の二通りである。一つは、図７に示す、本実施例３の構造であり、もう一つは、図８に示す構造である。以下、図８に示す太陽電池セルの構造を、本実施例３の他の太陽電池セルの構造と呼ぶ。他の太陽電池セルの構造は、実施例１に係る太陽電池セルの表面構造に対して、ｐ形不純物を等方拡散することによりｐ形不純物層２を形成したものであり、ｎ形基板１とｐ形不純物層２とのｐｎ接合の境界面が、ナノピラーアレイ構造の表面形状に沿って形成されることを特徴とする。図７に示す太陽電池セルの構造と、図８に示す他の太陽電池セルの構造とは、ナノピラーが存在しない領域の不純物層２の膜厚は等しい。以下、図７に示す太陽電池セルの構造において、ナノピラーが存在しない領域の不純物層２の膜厚をＬＤと記す。図７に示す太陽電池セルの構造と、図８に示す他の太陽電池セルの構造との違いは、ナノピラー内部の不純物層２の形状である。図７に示す太陽電池セルの構造では、不純物層２は、ナノピラー全体を包含し、さらに、ナノピラー下部の領域に、深さＬＤにわたって形成される。一方、図８に示す他の太陽電池セルの構造では、不純物層２は、ナノピラーアレイ構造の表面形状に沿って、深さＬＤにわたって形成され、ナノピラー内部には、不純物層２以外の領域が存在する。なお、図７に示す太陽電池セルの構造は、不純物層２の膜厚ＬＤの値によらず実現可能であるが、図８に示す他の太陽電池セルの構造は、ＬＤ＜Ｄ／２、かつ、ＬＤ＜Ｈの場合にのみ実現可能である。
図７に示す太陽電池セルの構造と、図８に示す他の太陽電池セルの構造における、不純物層２の横移動抵抗と、不純物層２で発生する光キャリア数とが、表面が平坦面の太陽電池セル構造の場合に比べて、どう変化するかを述べる。ここで、表面が平坦面の太陽電池セルにおいては、面内にわたって、深さＬＤの不純物層２が形成されているものとする。上述の通り、図７に示す太陽電池セルの構造では、基板１と不純物層２とのｐｎ接合の境界面が、面内にわたって平坦となるため、電子または正孔が不純物層２の中を横方向に移動する際の移動距離、すなわち、不純物層２の横移動抵抗は、表面が平坦面の太陽電池セルの場合と同一となる。一方で、不純物層２の膜厚は、ナノピラーの存在しない領域ではＬＤ、ナノピラーの存在する領域ではＨ＋ＬＤとなる。このうち、ナノピラーの存在する領域においては、表面が平坦面の太陽電池セルと比べて、不純物層２の膜厚が増加し、従って、不純物層２で発生する光キャリア数が増加する。一方、図８に示す他の太陽電池セルの構造では、不純物層２は、ナノピラーアレイ構造の表面形状に沿って、深さＬＤにわたって存在する。この結果、電子または正孔が不純物層２の中を横方向に移動する際の移動距離は、表面が平坦面の太陽電池セルの場合に比べて長い。このため、不純物層２の横移動抵抗が、表面が平坦面の太陽電池セルの場合に比べて高くなる。一方で、不純物層２の、ナノピラーアレイ構造表面からの厚さは、面内のいたるところでＬＤである。このため、不純物層２で発生する光キャリア数は、図７に示す太陽電池セルの構造の場合と比べて少ない。但し、図９に示したような、太陽光の入射方向を仮定すると、ナノピラーの側壁部に形成された不純物層２は、ナノピラーの高さＨの膜厚に相当することになる。上述の通り、図８に示す他の太陽電池セルの構造ではＬＤ＜Ｈであるので、ナノピラーの側壁部に形成された不純物層２の膜厚がＨに相当するということは、ナノピラーの側壁部が、面内の他の領域よりも厚い不純物層であるということを意味する。従って、図８に示す他の太陽電池セルの構造では、不純物層２で発生する光キャリア数は、表面が平坦面の太陽電池セルの場合と同一ではなく、より大きな値となる。
以上で述べたことを定量化する。ナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルにおける不純物層２の横移動抵抗と、不純物層２で発生する光キャリア数とを、それぞれＲ、Ｎとし、表面が平坦面の太陽電池セルにおける不純物層２の横移動抵抗と、不純物層２で発生する光キャリア数とを、それぞれＲ０、Ｎ０とする。２次元モデルを仮定してＲ／Ｒ０とＮ／Ｎ０とを計算した結果を図１４と図１５とにそれぞれ示す。いずれの図においても、実線は、図７に示す太陽電池セルの構造の場合に、破線は、図８に示す他の太陽電池セルの構造の場合に、それぞれ相当する。上述の通り、図７に示す太陽電池セルの構造の場合においては、図８に示す他の太陽電池セルの構造の場合に比べて、Ｒ／Ｒ０は小さく、Ｎ／Ｎ０は大きい。Ｒ／Ｒ０とＮ／Ｎ０はいずれもナノピラーアレイ構造の寸法パラメータに依存する。具体的には、Ｈ／Ｄ、つまりナノピラーのアスペクト比が大きいほどＲ／Ｒ０は大きく、Ｈが大きいほどＮ／Ｎ０は大きい。ここでＤはナノピラーの直径であり、図７に示す太陽電池セルや図８に示す他の太陽電池セルの構造のように、直径の異なる複数のナノピラーから構成されるナノピラーアレイを有する太陽電池セルにおいては、Ｄ１でもＤ２でもあり得る。
図１４から、図７に示す太陽電池セルの構造は、ナノピラーのアスペクト比によらずＲ／Ｒ０＝１であり、上述の通り、表面が平坦面の太陽電池セルの場合と比べて、不純物層２の横移動抵抗は増加しない。また、上述の通り、図７に示す太陽電池セルの構造は、ナノピラーの高さＨが５００ｎｍ以下であることを特徴とするため、図１５から、１＜Ｎ／Ｎ０＜１．３３である。すなわち、不純物層２で発生する光キャリア数が、表面が平坦面の太陽電池セルの場合の１〜１．３３倍の範囲内とすることができる。このように、表面にナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルにおいても、図７に示す太陽電池セルの構造を用いることで、表面が平坦面の太陽電池セルの場合と比べて、不純物層２の横移動抵抗と、不純物層２で発生する光キャリア数とに起因する太陽電池特性低下を、最小限に抑制することが可能である。図８に示す他の太陽電池セルにおいても、図１５から、従来に比し光キャリア数が多い。但し、図１４から横移動抵抗がＨ／Ｄに依存する。そこでこの値を小さくする構成とすることにより、図８に示す他の太陽電池セルにおいても、特性の向上が可能である。
また、太陽電池セルにおいては、不純物層２の表面にパッシベーション膜を形成するのが通常である。パッシベーション膜の主な役割はダングリングボンドの終端であるが、それに加えて、パッシベーション膜に含まれる固定電荷が、不純物層２の中の少数キャリアにクーロン力を及ぼすことで界面再結合を抑制するという、いわゆる電界効果パッシベーションが、近年、活発に研究されている。表面にナノピラーアレイ構造を有する太陽電池セルにおいては、電界効果パッシベーションの及ぶ距離が、ナノピラーの直径と同等またはそれ以上になるように、固定電荷量を設定することで、表面が平坦面の太陽電池セルの場合に比べて、より効果的な電界効果パッシベーションを実現することができる。
不純物層２の形成方法としては、イオン注入、気相拡散法、固相拡散法などの不純物拡散法と、ＣＶＤ法、スパッタ法、エピタキシー法、蒸着法などの成膜法とがある。前者の方法によれば、不純物層２の材料と基板１の材料とは同一であるが、後者の方法によれば、不純物層２の材料と基板１の材料とは同一でも、異なっていてもよい。図７に示す太陽電池セルの構造を形成する場合には、まず不純物層２を形成し、その後、ナノピラーアレイ構造を、実施例１で述べた加工法により形成するのが望ましい。なお、図８に示す他の太陽電池セルの構造を形成する場合には、まずナノピラーアレイ構造を形成し、その後、不純物層２を不純物拡散法により形成するのが望ましい。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…基板、２…不純物層、３…太陽光、４…ナノピラー、１１…直径Ｄ１のナノピラー、１２…直径Ｄ２のナノピラー、１３…直径Ｄ３のナノピラー、１４…直径Ｄ４のナノピラー、１５…直径Ｄ５のナノピラー、１６…直径Ｄ６のナノピラー、１７…直径Ｄ７のナノピラー、１８…直径Ｄ８のナノピラー、２１…直径の異なる二種類のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造、２２…直径の異なる三種類のナノピラーから構成される第１のナノピラーアレイ構造、２３…直径の異なる三種類のナノピラーから構成される第２のナノピラーアレイ構造、３１…直径ＤＤ１かつ高さＨＨ１のナノピラー、３２…直径ＤＤ２かつ高さＨＨ２のナノピラー、４１…直径と高さとがいずれも異なる二種類のナノピラーから構成されるナノピラーアレイ構造。

Claims (16)

  1. 基板と、
    前記基板と接続される第１のピラーと、
    前記基板と接続される第２のピラーと、を有し、
    前記第２のピラーの径が前記第１のピラーの径よりも大きいことを特徴とする太陽電池。
  2. 請求項１記載の太陽電池において、
    前記第１のピラーの径が２０ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
    前記第２のピラーの径が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする太陽電池。
  3. 請求項２記載の太陽電池において、
    前記第１のピラーの高さと、前記第２のピラーの高さとがともに１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする太陽電池。
  4. 請求項３記載の太陽電池において、
    前記第１のピラーと前記第２のピラーとの間のギャップが、前記第１のピラーの径の１／５倍以上、かつ、前記第２のピラーの径の５倍以下であることを特徴とする太陽電池。
  5. 請求項３記載の太陽電池において、
    前記基板と接続される第３のピラーをさらに有し、
    前記第３のピラーの径が前記第２のピラーの径を越えることを特徴とする太陽電池。
  6. 請求項５記載の太陽電池において、
    前記第１のピラーの径が２０ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
    前記第２のピラーの径が５０ｎｍ以上９０ｎｍ未満であり、
    前記第３のピラーの径が９０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする太陽電池。
  7. 請求項６記載の太陽電池において、
    前記第１のピラーと前記第２のピラーとの間のギャップと、前記第１のピラーと前記第３のピラーとの間のギャップと、前記第２のピラーと前記第３のピラーとの間のギャップとが、いずれも、前記第１のピラーの径の１／５倍以上、かつ、前記第３のピラーの径の５倍以下であることを特徴とする太陽電池。
  8. 請求項３記載の太陽電池において、
    前記第２のピラーを介して前記基板と接続される第４のピラーと、
    前記第２のピラーを介して前記基板と接続される、前記第４のピラーとは異なる第５のピラーと、をさらに有し、
    前記第２のピラーの径が前記第４のピラーの径を越え、
    前記第２のピラーの径が前記第５のピラーの径を越えることを特徴とする太陽電池。
  9. 請求項８記載の太陽電池において、
    前記第４のピラーの径が２０ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
    前記第５のピラーの径が２０ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることを特徴とする太陽電池。
  10. 請求項９記載の太陽電池において、
    前記第４のピラーと前記第５のピラーとの間のギャップが、前記第４のピラーの径の１／５倍以上、かつ、前記第２のピラーの径の５倍以下であることを特徴とする太陽電池。
  11. 請求項１０記載の太陽電池において、
    前記第２のピラーの側部に形成される定在波のうち、少なくとも１つの定在波が、前記第１のピラーの上端と、前記第２のピラーの上端との間に存在することを特徴とする太陽電池。
  12. 請求項４記載の太陽電池において、
    前記基板は第１導電形を有する基板であり、
    前記基板の一部と、前記第１のピラーと、前記第２のピラーとに形成され、前記第１導電形とは異なる第２導電形の不純物層をさらに有し、
    前記基板と前記不純物層とで形成されるｐｎ接合或いはｐｉｎ接合の境界面が、平坦であることを特徴とする太陽電池。
  13. 請求項１２記載の太陽電池において、
    前記第１のピラーの高さが５００ｎｍ以下であり、
    前記第２のピラーの高さが５００ｎｍ以下であることを特徴とする太陽電池。
  14. ｐｎ接合或いはｐｉｎ接合と、
    第１の直径を有する第１のピラーと、第1の直径とは異なる第２の直径を有する第２のピラーとを有し、
    前記第１のピラーと前記第２のピラーとを含むアレイの単位構造が周期的に配列されていることを特徴とする太陽電池。
  15. 請求項１４記載の太陽電池において、
    前記アレイの単位構造は、第１および前記第２のピラーとは直径の異なる第３のピラーを更に含むことを特徴とする太陽電池。
  16. 請求項１４記載の太陽電池において、
    前記第１および前記第２のピラーは、内部に含まれる固定電荷量が所定の値となるように設定された電界効果パッシベーション膜で覆われていることを特徴とする太陽電池。
JP2013516117A 2011-05-25 2011-05-25 太陽電池 Expired - Fee Related JP5808400B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2011/061955 WO2012160662A1 (ja) 2011-05-25 2011-05-25 太陽電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2012160662A1 true JPWO2012160662A1 (ja) 2014-07-31
JP5808400B2 JP5808400B2 (ja) 2015-11-10

Family

ID=47216765

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013516117A Expired - Fee Related JP5808400B2 (ja) 2011-05-25 2011-05-25 太陽電池

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9257583B2 (ja)
EP (1) EP2717322A4 (ja)
JP (1) JP5808400B2 (ja)
CN (1) CN103548149A (ja)
TW (1) TWI466307B (ja)
WO (1) WO2012160662A1 (ja)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10333008B2 (en) * 2013-10-31 2019-06-25 University Of Florida Research Foundation, Inc. Substrates having an antireflection layer and methods of forming an antireflection layer
WO2018035091A1 (en) 2016-08-15 2018-02-22 University Of Florida Research Foundation, Inc. Methods and compositions relating to tunable nanoporous coatings
WO2018035261A1 (en) * 2016-08-17 2018-02-22 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Nanostructured substrates for improved lift-off of iii-v thin films
CN108198878A (zh) * 2016-12-08 2018-06-22 南京理工大学 提升二氧化钒光吸收增强的方毯周期结构
WO2018213570A2 (en) 2017-05-17 2018-11-22 University Of Florida Research Foundation Methods and sensors for detection
US11480527B2 (en) 2017-12-20 2022-10-25 University Of Florida Research Foundation, Inc. Methods and sensors for detection
US11705527B2 (en) 2017-12-21 2023-07-18 University Of Florida Research Foundation, Inc. Substrates having a broadband antireflection layer and methods of forming a broadband antireflection layer
CN110320670A (zh) * 2018-03-30 2019-10-11 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 全介质反射型高效超薄分束器及其制备方法与应用
US11819277B2 (en) 2018-06-20 2023-11-21 University Of Florida Research Foundation, Inc. Intraocular pressure sensing material, devices, and uses thereof
WO2021152479A1 (en) * 2020-01-29 2021-08-05 3M Innovative Properties Company Nanostructured article
US11355540B2 (en) * 2020-04-15 2022-06-07 Visera Technologies Company Limited Optical device

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4155781A (en) * 1976-09-03 1979-05-22 Siemens Aktiengesellschaft Method of manufacturing solar cells, utilizing single-crystal whisker growth
JP2003114316A (ja) * 2001-10-05 2003-04-18 Japan Science & Technology Corp 光学素子
US7109517B2 (en) * 2001-11-16 2006-09-19 Zaidi Saleem H Method of making an enhanced optical absorption and radiation tolerance in thin-film solar cells and photodetectors
JP2003215305A (ja) 2002-01-23 2003-07-30 Matsushita Electric Works Ltd 光素子
EP1416303B8 (en) 2002-10-30 2010-10-13 Hitachi, Ltd. Method for manufacturing functional substrates comprising columnar micro-pillars
JP2006038928A (ja) * 2004-07-22 2006-02-09 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 無反射周期構造体及びその製造方法
JP2007047701A (ja) * 2005-08-12 2007-02-22 Ricoh Co Ltd 光学素子
US20070169808A1 (en) * 2006-01-26 2007-07-26 Kherani Nazir P Solar cell
JP2007328096A (ja) 2006-06-07 2007-12-20 Ricoh Co Ltd 回折光学素子とその作製方法および光学モジュール
US7525170B2 (en) * 2006-10-04 2009-04-28 International Business Machines Corporation Pillar P-i-n semiconductor diodes
US20080135089A1 (en) * 2006-11-15 2008-06-12 General Electric Company Graded hybrid amorphous silicon nanowire solar cells
US8003883B2 (en) 2007-01-11 2011-08-23 General Electric Company Nanowall solar cells and optoelectronic devices
KR101426941B1 (ko) * 2007-05-30 2014-08-06 주성엔지니어링(주) 태양전지 및 그의 제조방법
JP2009128543A (ja) 2007-11-21 2009-06-11 Panasonic Corp 反射防止構造体の製造方法
US9515218B2 (en) * 2008-09-04 2016-12-06 Zena Technologies, Inc. Vertical pillar structured photovoltaic devices with mirrors and optical claddings
TWI367567B (en) 2008-11-26 2012-07-01 Univ Nat Central Guided mode resonance solar cell
US20110247690A1 (en) * 2008-12-17 2011-10-13 David Thomas Crouse Semiconductor devices comprising antireflective conductive layers and methods of making and using
JP2010219495A (ja) 2009-02-18 2010-09-30 Nagaoka Univ Of Technology 太陽電池用透明部材および太陽電池
KR101033028B1 (ko) * 2009-06-25 2011-05-09 한양대학교 산학협력단 태양 전지 및 그 제조 방법
TWM370833U (en) 2009-07-07 2009-12-11 Epistar Corp Solar cell
TWI415276B (zh) * 2009-10-21 2013-11-11 Nat Chung Cheng University Inv 具高吸收效率表面結構的太陽能電池
CN102041539A (zh) * 2011-01-07 2011-05-04 北京大学 一种GaN基光子晶体模板及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
TWI466307B (zh) 2014-12-21
JP5808400B2 (ja) 2015-11-10
US20140166100A1 (en) 2014-06-19
TW201308628A (zh) 2013-02-16
US9257583B2 (en) 2016-02-09
EP2717322A1 (en) 2014-04-09
EP2717322A4 (en) 2015-01-21
CN103548149A (zh) 2014-01-29
WO2012160662A1 (ja) 2012-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5808400B2 (ja) 太陽電池
TWI455338B (zh) 超晶格結構的太陽能電池
JP5687765B2 (ja) 太陽電池
EP2747152A1 (en) Solar cell and method for manufacturing same
TW201001726A (en) Techniques for enhancing efficiency of photovoltaic devices using high-aspect-ratio nanostructures
EP2253021B1 (en) Photovoltaic devices with high-aspect-ratio nanostructures
JP5400322B2 (ja) シリコン系薄膜太陽電池およびその製造方法
KR101136882B1 (ko) 질화물 반도체 기반의 태양전지 및 그 제조방법
JP2007305826A (ja) シリコン系薄膜太陽電池
KR101190197B1 (ko) 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법
KR20120060185A (ko) 무반사 나노구조가 집적된 기판을 이용한 고효율 태양전지 및 그 제조방법
Zhu et al. Sputtering-grown undoped GeSn/Ge multiple quantum wells on n-Ge for low-cost visible/shortwave infrared dual-band photodetection
US20150179843A1 (en) Photovoltaic device
US20150122321A1 (en) Solar cell
KR20100070601A (ko) 태양전지 소자의 제조방법
JP5802833B2 (ja) 太陽電池セルおよびその製造方法
JP2019009402A (ja) 太陽電池およびその製造方法
KR102289891B1 (ko) 태양 전지
JP5036663B2 (ja) 薄膜太陽電池およびその製造方法
JP5851872B2 (ja) 化合物半導体太陽電池の製造方法
JP6036833B2 (ja) 太陽電池及びその製造方法
KR101628957B1 (ko) 패터닝된 그리드전극과 이를 적용한 박막 태양전지 및 이들의 제조방법
KR101459650B1 (ko) 고성능 셀렉티브 에미터 소자 및 그 제조 방법
WO2014073044A1 (ja) 太陽電池セル
JP2022183700A (ja) 太陽電池セル、多接合型太陽電池セル、及び太陽電池セルの製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140902

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150324

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150518

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150901

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150908

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5808400

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees